Những điều chưa nói về hạt Higgs

Trưa nay ngồi với hai ông bạn kết nghĩa vườn đào từ hồi lớp 1, tức là cách đây đã hơn nửa thế kỷ. Tình cờ lại nói chuyện về hạt Higgs. Mình cũng chẳng hiểu tại sao xã hội lại quan tâm nhiều thế đến hạt Higgs, mà không quan tâm mấy đến những vấn đề như lỗi ngữ pháp tiếng Việt. Câu hỏi cuối cùng của ông bạn mình, mình cho là hợp lý nhất: tại sao tìm ra được hạt Higgs lại thú vị đến thế? Mình nghĩa là do truyền thông và các nhà triết học hơi ầm ĩ, nào là hạt sinh khối lượng, nào là hạt thống nhất tương tác. Vấn đề này không khéo gây nhiều ngộ nhận. Do đó phóng bút viết chơi về hạt Higgs theo phong cách Higgs for Dummies, nhưng có nhiều chuyên gia vật lý cũng chưa nói tới hoặc chưa để ý đến.

Trước tiên, cần để ý là hạt Higgs được nói nhiều trong năm 2013 và hai nhà lý thuyết là Higgs và Englert được giải thưởng Nobel, nhưng điều bất thường là lãnh đạo nhóm thực nghiệm "tìm ra hạt Higgs" thì không được giải thưởng. Điều này trái với lệ thường, khi tìm ra vi phạm chẵn lẻ, các quark b, t, c, s và các hạt W, Z boson các nhà lý thuyết đều được trao giải cùng với lãnh đạo nhóm thực nghiệm. Tại sao vậy? Đơn giản là vì cái hạt mà người ta phát minh ra, chưa chắc đã là hạt Higgs. Bản thân tôi cũng không tin vì tôi có một mô hình lý thuyết tiên đoán khối lượng hạt Higgs vào cỡ 250-300 GeV. Rất cá nhân, tôi hy vọng là lý thuyết của tôi đúng.

Đa số các nhà vật lý lý thuyết vui mừng vì họ đã đánh cuộc cả sự nghiệp vào đó. Hạt Higgs là hạt cuối cùng, chưa được phát hiện ra, trong lý thuyết chuẩn Salam-Weinberg-Glashow thống nhất tương tác yếu và tương tác điện từ. Lý thuyết gọi là chuẩn, bởi vì đối với rất nhiều nhà lý thuyết, mọi công trình của họ đều xuất phát từ lý thuyết này, coi đây là chuẩn mực để xuất phát. Nếu hạt Higgs không tồn tại, không những lý thuyết này không thể gọi là chuẩn mà còn biến hàng chục nghìn công trình thành trò chơi thể thao thuần tuý. Vì vậy tâm trạng phấn khích của các nhà vật lý lý thuyết khi có bằng chứng thực nghiệm về sự tồn tại của hạt Higgs hoàn toàn có thể hiểu được. Tuy nhiên, quan tâm của xã hội dường như vẫn hơi lệch lạc một chút do truyền thông cảm nhận không hoàn toàn chính xác và cũng hơi cường điệu hoá. Vật lý hiện đại không hề sụp đổ nếu không có hạt Higgs. Nếu không có hạt Higgs vẫn có vô khối các hạt khác.

Trong vùng năng lượng 100-150 GeV mà Trung tâm CERN đã tìm ra dấu vết của hạt Higgs có thể có rất nhiều các sự kiện, hoặc các cộng hưởng. Người ta đã bóc tách những dữ liệu hiếm hoi để tìm ra một cộng hưởng có mức năng lượng 125 GeV, với spin 0 và một số đặc trưng nào đó để cho rằng đó là hạt Higgs. Nhưng để khẳng định các dữ liệu này là các dấu tích của hạt Higgs mà Salam và Weinberg đã sử dụng để sinh khối lượng cho các hạt truyền tương tác yếu thì vẫn chưa đủ sức thuyết phục. Có thể đó là lý do lần này nhóm thực nghiệm chưa thể chia sẻ vinh quang với các nhà lý thuyết.

Tại sao người ta lại cần đến hạt Higgs trong việc sinh khối lượng trong lý thuyết thống nhất tương tác yếu và điện từ?  Các hạt sơ cấp có thể chia làm hai loại: hạt vật chất và hạt truyền tương tác. Khi chưa có cơ học lượng tử thì tương tác là dạng sóng. Cơ học lượng tử cho rằng sóng cũng vừa là hạt, do đó tương tác điện từ cũng có thể xem như hạt photon, không có khối lượng. Hạt photon không có khối lượng nên có thể truyền rất xa, từ các thiên hà cách chúng ta cả tỷ năm ánh sáng. Giải thích một các nôm na, là vì "nhẹ gánh như sư" nên đi đâu cũng dễ.

    Các tương tác khác giữa các hạt cơ bản vật chất như tương tác yếu, tương tác mạnh đều có tầm hoạt động rất ngắn dưới mức nano. Chính vì vậy, các tương tác này được biểu hiện bằng các hạt có khối lượng. Về nguyên tắc, có thể đưa vào lý thuyết các hạt truyền tương tác có khối lượng tuỳ ý. Nhưng tiếc thay, các lý thuyết đó thường có "bệnh hoạn", các công thức tính toán sẽ vấp phải các kết quả "kỳ cục", một số tích phân sẽ phân kỳ. Để khắc phục các điểm xấu xí thuần tuý lý thuyết, Higgs và Englert đã tìm ra một cơ chế: các hạt truyền tương tác trong lý thuyết ban đầu đều có khối lượng bằng 0, và vì thế mọi việc đều đẹp đẽ. Các hạt này lại tương tác với một loại hạt vô hướng và có thể năng tự tương tác phi tuyến. Trong một điều kiện nhất định, mà người ta gọi là vi phạm đối xứng tự phát, sau một phép biến đổi toán học, lý thuyết này biến thành một lý thuyết mà một số trường tương tác có khối lượng. Sau này S. Coleman đã mô tả là một số hạt truyền tương tác đã "chén" hạt Higgs và trở nên béo mập.

    Cơ chế này sau này người ta cũng tìm thấy trong một điều kiện ở mức năng lượng thấp hơn nhiều, khi vật chất chuyển sang pha siêu lỏng hoặc siêu dẫn. Điều kiện đặc biệt này xảy ra khi đối xứng bị vi phạm tự phát. Vi phạm đối xứng là tự phát là khi lý thuyết hoàn toàn đối xứng có các lời giải không đối xứng. Thực ra tập hợp tất cả các lời giải là đối xứng, nhưng một số lời giải cụ thể không đối xứng và thực tế sẽ phải chọn lấy một trong các lời giải không đối xứng. Coleman ví điều này như một con bò ở tâm vòng tròn và cỏ được xếp thành vòng tròn xung quanh. Nếu áp dụng điều kiện đối xứng, thì con bò sẽ phân vân và chết đói. Để sống sót, con bò sẽ chọn bừa một hướng, vi phạm đối xứng quay một cách "tự phát" để ăn cỏ. Ở đây có một điều mà các nhà vật lý hạt sơ cấp ít để ý, thực ra có 2 chế độ khác nhau, trong một chế độ đối xứng là bảo toàn ở một chế độ khác đối xứng bị vi phạm tự phát. Như vậy, có một hiện tượng chuyển pha từ pha đối xứng sang pha vi phạm tự phát. Thế giới chúng ta sống ở pha vi phạm đối xứng tự phát, do đó một số hạt truyền tương tác có khối lượng và một số hạt không có khối lượng. Cũng nhờ tương tác với hạt Higgs mà các hạt vật chất trong lý thuyết ban đầu không có khối lượng mà sẽ trở nên có khối lượng sau một phép biến đổi toán học. Nói một cách khác, cơ chế Higgs là một phép ảo thuật toán học để từ các hạt không có khối lượng sinh ra các hạt có khối lượng trong điều kiện nhất định.

Vấn đề của lý thuyết chuẩn này là quá nhiều tham số, trong đó có khối lượng của hạt Higgs, khối lượng của quark t, hoàn toàn tự do. Chính vì thế, trong một thời gian dài người ta không biết tìm hạt Higgs ở vùng năng lượng nào. Mọi việc có thể đã dễ dàng hơn, nếu người ta biết hạt Higgs nằm trong một vùng năng lượng xác định.

Nếu hạt Higgs không tồn tại, các nhà lý thuyết đã có sẵn mô hình khác, khi đó lý thuyết Salam-Weinberg-Glashow chỉ là một mô hình gần đúng, tương tự như lý thuyết siêu dẫn của Landau-Ginzburg. Rất trùng hợp lý thuyết Landau-Ginzburg cũng có trường vô hướng với thế năng phi tuyến Phi^4. Khi đó hạt Higgs, tương tự như cặp Cooper trong siêu dẫn, là trạng thái hợp thành của cặp quark-phản quark. Người ta thường gọi đây là mô hình Nambu.

Câu chuyện về Higgs đến đây là kết thúc, nếu như năm 1986, Connes, một nhà toán học được giải thưởng Fields, đã sử dụng hình học không giao hoá để xây dựng lý thuyết Salam-Weinberg và thấy trường Higgs xuất hiện một cách tự nhiên trong lý thuyết. Trong lý thuyết của Connes, không gian trong là Z_2 gồm 2 điểm rời rạc. Nói một cách khác, không gian vật lý của Connes gồm hai lá không thời gian tồn tại song song và trường Higgs sinh ra nhờ dịch chuyển của vật chất giữa hai lá đó. Lý thuyết của Connes có ưu điểm khác nữa là số tham số rất ít, do đó khả năng dự đoán mạnh hơn nhiều so với lý thuyết của Salam-Weinberg-Glashow, chẳng hạn lý thuyết theo cách xây dựng của Connes đã tính được chính xác tỷ số giữa hằng số tương tác điện từ và hằng số tương tác yếu. Năm 1995, chỉ một tuần sau khi phát hiện về quark t được công bố với khối lượng 178 GeV, tôi đã công bố tính toán của tôi về khối lượng quark t tại một hội nghị quốc tế với khối lượng 175 GeV. Khi đó mặc dù các công thức đã có sẵn nhưng tôi chưa hoàn thành các phép tính nên không thể đưa ra tính toán cho khối lượng Higgs. Sau đó vài tháng tôi đã tính được khối lượng của Higgs sử dụng hình học không giao hoán của Connes là 254 GeV và công bố trong một số đặc san kỷ niệm 100 năm ngày sinh của Egene Wigner.